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産総研、ミリ波帯で優れた伝送特性を持つ高周波伝送路を開発

2015/09/09
(水)
SmartGridニューズレター編集部

2015年9月9日、国立研究開発法人 産業技術総合研究所(以下:産総研、理事長:中鉢良治)物理計測標準研究部門(研究部門長:中村安宏)は、印刷技術を利用して、100GHzを超えるミリ波帯※1で優れた伝送特性を示す高周波伝送路(コプレーナ導波路)を開発したことを発表した。

今回、同研究所は、導電率が高い銀ナノ粒子インクを用いた印刷技術によって、導体の導電率が高く寸法精度の良いコプレーナ導波路を作製した。この導波路は、100GHzを超える高周波帯域まで低損失特性を示し、特に60GHz以上では、従来のコプレーナ導波路の約半分の伝送損失であった。また繰り返し使用による特性劣化も小さいことから、ミリ波帯デバイスの電気的な性能を評価する「標準伝送路※2」として利用できる。さらに、一度に多くのパターン形成が可能なスクリーン印刷技術の活用により、導電膜形成、露光およびエッチングによる従来の作製法に比べて作製時間の短縮と低コスト化を実現した(作製時間:約1時間、従来比20分の1以下。作製費:約6,000円、従来比10分の1以下)※3

開発の社会的背景
電波のなかでも30 GHz以上の高い周波数であるミリ波は、高い分解能で距離を測定できることや、大容量のデータを高速に伝送できるといった利点がある。これまで、ミリ波帯を利用するデバイス(ミリ波帯デバイス)が高価であったため普及の妨げとなっていたが、近年では安価なシリコンデバイスがミリ波帯で動作できるようになり、自動車衝突防止レーダー、近距離無線通信技術、第5世代(5G)携帯電話といったミリ波帯デバイスの開発が進んでいる。それに伴い、ミリ波帯デバイスの性能評価に用いる「標準伝送路」が重要となっている。標準伝送路には、長期間使用しても安定した特性が求められる。しかし、高周波プローブを標準伝送路に接触させて測定を行うため、繰り返し使用すると接触点の状態が変化し、伝送特性や反射特性が劣化してしまう。そのため、ミリ波帯デバイスの高精度な性能評価には、高価な標準伝送路(数万円~数十万円)※4を、頻繁※5に交換する必要があり、安価で繰り返し使用による性能劣化の少ない標準伝送路が求められている。

 

研究の内容
コプレーナ導波路※6の伝送特性と反射特性はそれぞれ、導波路導体の導電率と導波路寸法の精度により決まるため、高性能のコプレーナ導波路を作製するには、高い導電率と寸法精度の高い作製技術が必要となる。今回、110GHzまで信号を伝送できるミリ波帯のコプレーナ導波路を設計し、導電率の高い銀ナノ粒子インクと高精細なスクリーン印刷技術を用いて、アルミナ基板上にコプレーナ導波路(信号線幅が50μm、信号線と接地線の間隔が25μm)を作製した。


開発した印刷法によるコプレーナ導波路と従来のコプレーナ導波路について、110GHzまでの信号の伝送特性と反射特性を評価した(図1a、1b参照)。伝送特性は、値が0に近いほど損失が低く高性能だが、印刷法による伝送路の伝送特性は、従来の伝送路と同等か、それ以上であった。60GHz以上の高周波数領域では、従来のコプレーナ導波路よりも低損失となり、特に100GHz以上では約半分の低損失を実現している。また、反射特性では、負の数字が大きいほど信号の反射が少なく性能がよい。今回開発した導波路は、反射特性においても従来とほぼ同等の性能を示した。これらの評価結果は、従来技術に比べて導電率と寸法精度が同等か、それ以上である伝送路を、印刷技術により作製できることを示している。

また、高周波伝送路を標準伝送路として利用するには、高周波プローブで繰り返し接触しても、特性を安定に維持できることが求められる。今回開発したコプレーナ導波路に、高周波プローブを10回接触させ、伝送特性の位相変化を測定したところ(図2a、2b参照)、印刷法によって作製したコプレーナ導波路は、従来のコプレーナ導波路に比べて位相変化が3分の1程度であり、安定性が増していることが分かった。これは、繰り返しの接触による導体金属表面の変形が少ないためと推測される。

これらの評価・測定結果から、今回開発したコプレーナ導波路は、伝送特性・安定性の面において、従来のものより優れており「標準伝送路」として利用できる。また作製コストも安価なことから、ミリ波帯デバイスの性能評価用の「標準伝送路」として非常に有望である。

今後の予定
開発したコプレーナ導波路を、さまざまなミリ波帯デバイスの性能評価に活用し、「標準伝送路」としての有用性の実証を予定する。


※1 ミリ波:周波数が30GHzから300GHzの電磁波のこと。主に、自動車衝突防止用のミリ波レーダーや、短距離無線通信などに用いられている。

※2 標準伝送路:ミリ波帯デバイスの電気的な性能を評価するために、伝送・反射特性の測定の基準値を与える伝送路(配線)のこと。標準伝送路の長さや導体の導電率により決まる伝送特性(振幅と位相)と、配線の寸法などから決まる反射特性(理想値はマイナス無限大デシベル)を、測定の基準値とする。実際に作製される標準伝送路では、配線の加工精度のために理想的な寸法や形状からのずれを生じ、配線内部で信号の反射を生じる。また、繰り返し使用すると高周波プローブとの接触部の状態が変化して伝送・反射特性が劣化し、測定の精度が低下する。

※3 作製に要する消耗品費、人件費や光熱水費などから試算。30~40本の標準伝送路が1枚の基板に作製されており、その1枚の基板当たりのコスト。

※4 30~40本の標準伝送路が1枚の基板に作製されており、その1枚の基板当たりのコスト。

※5 標準線路としては10回程度、基板としては300から400回程度。ただし、使用の条件により異なる。

※6 コプレーナ導波路:セラミックや樹脂等の誘電体でできた板状の基板表面に、導電体薄膜で信号線とその両側に接地線を配置した構造の電磁波を伝播する伝送路のこと。主に、高周波プローブの特性を校正するために使われる線路形状である。

■リンク
産総研

 

 

 

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